CN104990658B - 一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件，属于计算机遥感测量和降落伞领域。该传感器组件可应用于大变形柔性织物的应力测量，尤其是针对降落伞、气垫船等设备工作过程中柔性体动态应力的测量。包括以下部分：全桥温度补偿应变片、Ω型媒介和辅助电路。本发明通过胶黏剂将被测物与媒介相连，媒介上布置的全桥温度补偿应变片感受柔性体应力变化，经辅助电路实现大变形柔性体动态数据采集。本发明的传感器组件具有体积小、重量轻、功耗低、布置方便等特点，可以有效应用于大变形柔性织物的应力采集。

Description

一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件

技术领域

本发明属于计算机遥感测量和降落伞领域，具体涉及一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件。

背景技术

我国航空航天事业的正在蓬勃快速发展，但对空投空降设备的伞衣受力情况量化方面的研究依然较少。由于空投空降设备的伞衣是由典型的大变形柔性体材料组成，且在工作过程中环境恶劣，同时又相对于试验模型有持续相对运动，所以对测量工作是一项极大的挑战。空投空降设备的展开过程是一个瞬态的高速变化的动态过程，在这一过程中材料受力后形状急剧变化，受力状态及材料强度、延伸率与静态情况下性能有很大差异，由于该过程变化的动态性和特殊性，且人为无法直接参与其中对伞衣受力情况进行测量。常用的理论仿真方法无法建立一个通用有效的模型，将这种瞬态大变形、受力织物各向异性、弹性模量实时变化的过程表现出来。

目前，针对于大形变柔性体动态应力变化领域的研究主要分为两个研究方向，其一为基于流固耦合理论的经验模型仿真，另一个为依据应变原理进行的测量技术。由于大变形柔性体工作过程复杂、受环境各方面影响明显，目前国际上尚没有一个被广泛认可的理论模型，仿真实验的可重复性也较差。

基于应变原理的测量技术，目前主要分为电阻式应变片测量技术和光纤传感测量技术，应变片测量技术由于应变片力传导结构复杂，应变片布置难以克服环境影响，受干扰影响后采集到信息噪声大，而且目前国际上还未见可以定量测量的传感器。光纤传感测量具有可采集多种信号量、长距离传输信号保真性强等优点，但由于光纤的延展性差、材料受外界影响大，尚不能进行真实环境下的大变形柔性体的动态测量实验。

全桥温度补偿电路是应用桥路的温度补偿特性，减弱或者消除外界温度影响的硬件优化方法。全桥电路也具有放大应变信号的作用。

应变片与被测物一般通过媒介相连，媒介可选用柔性媒介如胶黏剂，也可选用固态媒介如金属焊接。媒介可选用单层结构也可以选用多层结构，目前多采用具单层结构来作为连接媒介。但由于被测物力学特性的特殊性，单一媒介很难进行测量操作，也难以克服复杂恶劣环境，测试结果也偏差较大。

应变片产生的应变信息，通过电压或电流的形式展现出来，其量级小、信号弱，往往也伴随着噪声的影响。为达到准确测量一般要通过调理电路进行信号的调理，一般为放大和滤波。

专利号为201310229077.1的中国专利公开了一种测量柔性体应力的传感器,包括从内至外依次设置的内核、尼龙布条、弧形衬底和应变片，尼龙布条的两端通过内核和弧形衬底之间的缝隙引出，应变片粘在弧形衬底的外表面。该专利的应变传感器可用于测量柔性织物的拉伸应力，尤其是降落伞伞衣在开伞过程中所受到的动态应力变化。相比于传统的Omega传感器，该专利在织物上部署方法简便可靠；克服了Omega传感器在从标定织物上向测量织物上转移过程中工序繁琐、容易造成传感器破损的主要缺点。但其只是传统Omega传感器的简单优化,无法改变其力学传导结构的不科学性导致应力损失问题,并且其采集的信号并未经过补偿和处理,必然影响结构的精度。

由上可知由于缺乏测量数据，尚没有形成一套完善的理论模型能够对大变形柔性体应力测量进行仿真，而目前现有的测量工具环境适应能力、抗干扰能力弱、使用复杂、精度较低，不能对大变形柔性体应力情况进行高精度的定量测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件，包括全桥温度补偿应变片、Ω型媒介和辅助电路，所述全桥温度补偿应变片通过粘胶剂粘在Ω型媒介的顶部，全桥温度补偿应变片的顶部涂有保护胶，全桥温度补偿应变片还与辅助电路相连，将采集到的应变信号传输给辅助电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：1)本发明的针对大变形柔性体应力测量的传感器组件，可以有效的高精度的对大变形柔性体进行应力测量，布置方便，能适应恶劣复杂环境；2)本发明采用粘合体系与Ω型媒介相结合的多结构力传递体系，大大提高了传感器组件的测量范围，提高了测量精确度；3)本发明采用全桥温度补偿应变电路，将温度对应变片的影响降至最低；4)本发明使用辅助电路，改善了传统方法只进行放大的不足，通过多级放大增强信号幅度，滤波整流去除噪声整理波形，电压跟随基准补偿降低电路内损耗，这些可以有效的提高信号的准确性；5)本发明可以有效应用于降落伞、气垫船等针对大变形柔性体的应力测量，同时为大变形柔性体动态受力情况的定量分析提供了工具。

附图说明

图1为针对大变形柔性体应力测量的传感器组件模型。

图2为全桥温度补偿应变片电路工作示意图。

图3为全桥补偿应变片设计图。

图4为辅助电路模型图。

图5为双层次放大电路电路图。

图6为Ω型媒介切面示意图，其中(a)为主视图，(b)为仰视图。

图7为传感器组件使用示意图。

图8为传感器组件温度实验数据图。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件，包括全桥温度补偿应变片2、Ω型媒介3和辅助电路6，所述全桥温度补偿应变片2通过粘胶剂粘在Ω型媒介3的顶部，全桥温度补偿应变片2的顶部涂有保护胶，全桥温度补偿应变片2还与辅助电路6相连，将采集到的应变信号传输给辅助电路6。

所述全桥温度补偿应变片2是由四个金属敏感栅应变片组成的全桥电路，具体包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8；上述八个电阻的阻值、线膨胀系数、应变极性均相同，其中第一电阻R1、第三电阻R3、第五电阻R5、第七电阻R7温度系数为正，第二电阻R2、第四电阻R4、第六电阻R6、第八电阻R8温度系数为负；

第一电阻R1、第二电阻R2串联连接接入电桥第一桥臂并构成第一敏感栅，第三电阻R3、第四电阻R4串联连接接入电桥第三桥臂并构成第三敏感栅，第五电阻R5、第六电阻R6串联连接接入电桥第二桥臂并构成第二敏感栅，第七电阻R7、第八电阻R8串联连接接入电桥第四桥臂并构成第四敏感栅，上述四个桥臂敏感栅方向相同，相邻两个桥臂敏感栅极性相反；电源正极接入第一桥臂和第四桥臂中间，电源负极接入第二桥臂和第三桥臂中间，输出端out一端连接第一桥臂与第二桥臂中间，另一端连接第三桥臂与第四桥臂中间。

所述Ω型媒介3的材料为弹簧钢材料，其形状为Ω型。

所述辅助电路6包括初级放大电路、二级放大电路、信号预处理电路、电压跟随电路、A/D转换电路、数据采集与发送电路、基准补偿电路和供电电路，

其中初级放大电路、二级放大电路、信号预处理电路、电压跟随电路、A/D转换电路和数据采集与发送电路依次连接，基准补偿电路与电压跟随电路的输入端相连，对其提供补偿，供电电路为其余电路供电。

所述初级放大电路、二级放大电路构成双层次放大电路，具体包括第一固定电阻R1’、第二固定电阻R2’、可变电阻R3’、第四固定电阻R4’、第五固定电阻R5’、第六固定电阻R6’、第七固定电阻R7’、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、极性电容C10、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、集成放大器μPC1373h和双栅管3SK81；

信号输入端in与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与集成放大器μPC1373h输入端相连，第一电感L1一端与集成放大器μPC1373h负电源端相连，另一端接地，第二电感L2的一端与集成放大器μPC1373h的正电源端相连，第二电感L2的另一端与第三电容C3的一端相连，第二电感L2的另一端同时与第一固定电阻R1’的一端相连，第三电容C3的另一端接地，第一固定电阻R1’的另一端与第四电容C4相连，第一固定电阻R1’的另一端同时与第五电容C5相连，第四电容C4和第五电容C5的另一端均接地，集成放大器μPC1373h的输出端与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与极性电容C10的正极性端相连，极性电容C10的负极性端接地，第二电容C2的另一端同时与第三电感L3的一端相连，第二电容C2的另一端同时与第四电感L4的一端相连，第二电容C2的另一端同时与双栅管3SK81第二输入引脚相连，第三电感L3与可变电阻R3’的一端相连，可变电阻R3’的另一端与第五电容C5的一端相连，可变电阻R3’的另一端同时与第五固定电阻R5’的一端相连，可变电阻R3’的另一端同时与第八电容C8相连，第八电容C8的另一端接地，可变电阻R3’的另一端同时与供电电源DC相连；可变电阻R3的可调端与第四固定电阻R4’的一端相连，第四固定电阻R4’的另一端与双栅管3SK81第一输入端相连，第四电感L4的另一端与第二固定电阻R2’的一端相连，第二固定电阻R2’的另一端接地，第四电感L4的另一端同时与第六电容C6的一端相连，第六电容C6的另一端接地，双栅管3SK81的第二输出端与第六电感L6的一端相连，第六电感L6的另一端与第六固定电阻R6’的一端相连，第六固定电阻R6’的另一端接地，第六电感L6的另一端同时与第七固定电阻R7’的一端相连，第七固定电阻R7’的另一端与第九电容C9相连，第九电容C9的另一端接地，第五固定电阻R5’的另一端与第五电感L5的一端相连，第五电感L5的另一端同时与双栅管3SK81的第一输出端相连，第五电感L5的另一端同时与第七电容C7的一端相连，第七电容C7的另一端为信号输出端。

所述粘胶剂为单组份401工业级胶水，保护胶为硅橡胶。

第一电阻R1、第二电阻R2之间点焊连接，第三电阻R3、第四电阻R4之间点焊连接，第五电阻R5、第六电阻R6之间点焊连接，第七电阻R7、第八电阻R8之间点焊连接。

下面进行更详细的说明：

所述的全桥温度补偿应变片是指：带有温度补偿功能的全桥结构的应变片。由四个金属敏感栅应变片组成全桥电路，金属敏感栅应变片的电阻平均分为两段，其阻值相同，线膨胀系数相同，应变极性相同，对温度感应产生的极性相反，两段之间点焊连接。相邻桥臂敏感栅方向相同、极性相反，相对桥臂方向相同、极性相同，四桥臂工作电阻相同。针对补偿应变片，选取任意两个相对桥臂，与工作电阻串联相接。两个补偿应变片完全相同，阻值、电阻率、热敏感系数与工作应变片相同。补偿应变片处在同一温度场但不发生形变。应变片输出为电压信号。全桥温度补偿电路工作示意图如附图2所示。其中F为外界拉力，u为输出电压。

所述的Ω型媒介是指：进特殊处理后的不锈钢金属，将其外形塑造成Ω型。侧截面为Ω型，其中中间弧为同心圆的优圆弧，内圆半径为r，弧度为δ，外圆半径为R，弧度为Θ，下部脚为过圆弧中心水平线的两条平行线，长度为l，间距为d；底部投影面为矩形，长度为m，宽度为n。两底脚间距为L。两底脚平面打孔，孔的位置关于中间轴对称，数量相同，大小一致。如图4所示。

所述的胶黏剂分为三种,具体包括粘胶剂a：双组份环氧树脂，粘胶剂b：单组份401工业级胶水，粘胶剂c：硅橡胶。其中，粘胶剂a用于将全桥温度补偿应变片黏贴至Ω型的金属媒介顶端的外表面，粘胶剂b用于将Ω型的金属媒介的底脚下表面黏贴至被测柔性体表面，粘胶剂c用于对黏贴在Ω型的金属媒介顶端外表面上的全桥温度补偿应变片进行加固保护。

所述的辅助电路是指由供电部分、双层次放大电路、信号预处理电路、基准补偿电路、电压跟随电路和A/D转换电路组成的综合调理电路,并通过高温导线与全桥补偿电路焊接联结。如附图3所示。

进一步地，所述的所述的辅助电路内的信息传递过程为放置放大、二次放大、滤波整流、基准补偿、额定电压跟随、数模转换。

进一步地，辅助电路内的供电部分由供电电池和能量控制模块组成，供电电压不超过电阻承受电压。辅助电路内的双层次放大电路分为两个部分，首先为放置放大电路，放置部分调节可以改变初始电压，放大电路对信号进行首次放大，之后为二次放大，二次放大部分调节可以改变信号放大倍数。辅助电路内的信号预处理电路包括滤波和整流，滤波电路将噪声滤除，整流电路调节信号波形。辅助电路内的基准补偿电路和额定电压跟随电路协助负责对电路内损失的电压进行补偿，补偿至供电电压。辅助电路内的A/D转换电路采用MHz高频转换电路。经转换电路后信号变为数字信号，然后进入存储/发送电路，并按照存储/发送策略进行处理。

本发明是通过良好的力传导结构Ω型媒介与胶黏剂组合，将柔性体受力传导至具有温度补偿功能全桥应变片。应变片产生电信号，经过辅助电路，对信号进行调理，然后进行模数转换，得到可以为上位机采集的数字信号。下面进行详细说明：

本发明是一个针对大形变柔性体的应力测量组件，包含全桥温度补偿应变电路、Ω型媒介、粘合体系、辅助电路。本发明的组合顺序如图5所示。

具体为：将全桥温度补偿应变电路2利用粘胶剂a黏贴至Ω型媒介3上。高温导线5的一段焊接至应变电路2，另一端焊接至辅助电路6的输入端。高温导线分为4根，2根电源线2根信号线。将Ω型媒介3的底脚下端首先通过粘合体系的粘胶剂b粘合至被测物1上，具体位置见编号4。再利用粘合体系中粘胶剂c对应变电路2进行加固保护。辅助电路6输出端通过数据线与存储/发送电路相连。粘合位置4可以反复拆装使用，可重复性强，操作简便。

下面结合实施例做进一步详细的描述：

实施例

利用温控伺服万能材料试验机，验证组件良好的温度适应范围。

将传感器组件布置在裁剪好的544锦丝绸中间，布条两端固定在温控伺服万能试验机夹具，调节温度分别在-25℃，0℃，20℃及70℃，对布条进行0-20kg的纵向拉伸，实验数据如图6所示。图中可清晰反应本发明组件在-25℃至70℃均能良好工作，温度适应范围广，环境温度对组件准确性影响极小。

Claims (5)

1.一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件，其特征在于，包括全桥温度补偿应变片(2)、Ω型媒介(3)和辅助电路(6)，所述全桥温度补偿应变片(2)通过粘胶剂粘在Ω型媒介(3)的顶部，全桥温度补偿应变片(2)的顶部涂有保护胶，全桥温度补偿应变片(2)还与辅助电路(6)相连，将采集到的应变信号传输给辅助电路(6)，

所述辅助电路(6)包括初级放大电路、二级放大电路、信号预处理电路、电压跟随电路、A/D转换电路、数据采集与发送电路、基准补偿电路和供电电路，其中初级放大电路、二级放大电路、信号预处理电路、电压跟随电路、A/D转换电路和数据采集与发送电路依次连接，基准补偿电路与电压跟随电路的输入端相连，对其提供补偿，供电电路为其余电路供电；

所述初级放大电路、二级放大电路构成双层次放大电路，具体包括第一固定电阻R1’、第二固定电阻R2’、可变电阻R3’、第四固定电阻R4’、第五固定电阻R5’、第六固定电阻R6’、第七固定电阻R7’、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、极性电容C10、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、集成放大器μPC1373h和双栅管3SK81；信号输入端in与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与集成放大器μPC1373h输入端相连，第一电感L1一端与集成放大器μPC1373h负电源端相连，另一端接地，第二电感L2的一端与集成放大器μPC1373h的正电源端相连，第二电感L2的另一端与第三电容C3的一端相连，第二电感L2的另一端同时与第一固定电阻R1’的一端相连，第三电容C3的另一端接地，第一固定电阻R1’的另一端与第四电容C4相连，第一固定电阻R1’的另一端同时与第五电容C5相连，第四电容C4和第五电容C5的另一端均接地，集成放大器μPC1373h的输出端与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与极性电容C10的正极性端相连，极性电容C10的负极性端接地，第二电容C2的另一端同时与第三电感L3的一端相连，第二电容C2的另一端同时与第四电感L4的一端相连，第二电容C2的另一端同时与双栅管3SK81第二输入引脚相连，第三电感L3与可变电阻R3’的一端相连，可变电阻R3’的另一端与第五电容C5的一端相连，可变电阻R3’的另一端同时与第五固定电阻R5’的一端相连，可变电阻R3’的另一端同时与第八电容C8相连，第八电容C8的另一端接地，可变电阻R3’的另一端同时与供电电源DC相连；可变电阻R3的可调端与第四固定电阻R4’的一端相连，第四固定电阻R4’的另一端与双栅管3SK81第一输入端相连，第四电感L4的另一端与第二固定电阻R2’的一端相连，第二固定电阻R2’的另一端接地，第四电感L4的另一端同时与第六电容C6的一端相连，第六电容C6的另一端接地，双栅管3SK81的第二输出端与第六电感L6的一端相连，第六电感L6的另一端与第六固定电阻R6’的一端相连，第六固定电阻R6’的另一端接地，第六电感L6的另一端同时与第七固定电阻R7’的一端相连，第七固定电阻R7’的另一端与第九电容C9相连，第九电容C9的另一端接地，第五固定电阻R5’的另一端与第五电感L5的一端相连，第五电感L5的另一端同时与双栅管3SK81的第一输出端相连，第五电感L5的另一端同时与第七电容C7的一端相连，第七电容C7的另一端为信号输出端。

2.根据权利要求1所述的针对大变形柔性体应力测量的传感器组件，其特征在于，全桥温度补偿应变片(2)是由四个金属敏感栅应变片组成的全桥电路，具体包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8；上述八个电阻的阻值、线膨胀系数、应变极性均相同，其中第一电阻R1、第三电阻R3、第五电阻R5、第七电阻R7温度系数为正，第二电阻R2、第四电阻R4、第六电阻R6、第八电阻R8温度系数为负；

第一电阻R1、第二电阻R2串联连接接入电桥第一桥臂并构成第一敏感栅，第三电阻R3、第四电阻R4串联连接接入电桥第三桥臂并构成第三敏感栅，第五电阻R5、第六电阻R6串联连接接入电桥第二桥臂并构成第二敏感栅，第七电阻R7、第八电阻R8串联连接接入电桥第四桥臂并构成第四敏感栅，上述四个桥臂敏感栅方向相同，相邻两个桥臂敏感栅极性相反；电源正极接入第一桥臂和第四桥臂中间，电源负极接入第二桥臂和第三桥臂中间，输出端out一端连接第一桥臂与第二桥臂中间，另一端连接第三桥臂与第四桥臂中间。

3.根据权利要求1所述的针对大变形柔性体应力测量的传感器组件，其特征在于，Ω型媒介(3)的材料为弹簧钢材料，其形状为Ω型。

4.根据权利要求1所述的针对大变形柔性体应力测量的传感器组件，其特征在于，所述粘胶剂为单组份401工业级胶水，保护胶为硅橡胶。

5.根据权利要求2所述的针对大变形柔性体应力测量的传感器组件，其特征在于，第一电阻R1、第二电阻R2之间点焊连接，第三电阻R3、第四电阻R4之间点焊连接，第五电阻R5、第六电阻R6之间点焊连接，第七电阻R7、第八电阻R8之间点焊连接。